高瓦斯煤層放頂煤安全開采相關(guān)技術(shù)問題
高瓦斯煤層放頂煤安全開采相關(guān)技術(shù)問題
明科棟
山西省高平市南陽煤礦
摘 要
介紹我國(guó)放頂煤開采技術(shù)的發(fā)展過程，闡明放頂煤采煤法是一種既高產(chǎn)又安全的采煤方法。對(duì)于高瓦斯煤層進(jìn)行放頂煤開采，在硬頂煤和硬頂板特殊的地質(zhì)條件下，必須采取特殊的措施才能安全開采。
關(guān)鍵詞：安全開采；放頂煤； 高瓦斯煤層
1 概 述
近年來在放頂煤工作面發(fā)生了數(shù)次嚴(yán)重的瓦斯爆炸事故，引起了國(guó)內(nèi)上到國(guó)務(wù)院、國(guó)家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局領(lǐng)導(dǎo)，下至煤炭同行的嚴(yán)重關(guān)注。例如：2004年11月28日銅川陳家山煤礦綜放工作面發(fā)生瓦斯事故，死亡166人；2005年10月3日，鶴壁二礦放頂煤工作面發(fā)生瓦斯爆炸事故，死亡31人。不少人甚至產(chǎn)生這樣的質(zhì)疑：放頂煤采煤方法是否是本質(zhì)不安全的采煤方法。有必要在這里澄清對(duì)這一問題的看法。
普通放頂煤采煤法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用有悠久的歷史，可以追溯到20世紀(jì)初。而綜合機(jī)械化放頂煤采煤法是1964年首先在法國(guó)中南煤田布朗齊礦試驗(yàn)成功的。我國(guó)從1982年開始試驗(yàn)研究綜放開采技術(shù)，第一個(gè)緩傾斜特厚煤層一次采全高綜放工作面于1984年4月在遼寧沈陽礦務(wù)局蒲河礦投入試驗(yàn)。第一個(gè)急傾斜特厚煤層水平分層綜放開采工作面，于1986年3月在窯街礦務(wù)局二礦投入試驗(yàn)。
這兩個(gè)工作面均在1986年試驗(yàn)成功，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，并于當(dāng)年進(jìn)行了鑒定。在隨后的年代里放頂煤開采包括綜合機(jī)械化放頂煤、單體液壓支柱放頂煤、滑移支架放頂煤，得到了迅猛發(fā)展。我國(guó)幾乎所有的厚煤層礦區(qū)均采用了放頂煤采煤法，傳統(tǒng)的分層開采已被放頂煤采煤方法取代。我國(guó)綜放開采技術(shù)已處在世界領(lǐng)先地位，并將這一技術(shù)輸出到國(guó)外。時(shí)至今日，我國(guó)每年的綜放產(chǎn)量接近1億t。
在綜放開采技術(shù)發(fā)展過程中，科研院所和高校與現(xiàn)場(chǎng)密切結(jié)合，在綜放開采采煤工藝、技術(shù)裝備、瓦斯治理、防火、粉塵治理、礦壓顯現(xiàn)、地表沉陷、頂煤頂板運(yùn)移規(guī)律以及提高煤炭采出率等諸多方面，進(jìn)行了大量的研究工作，取得一系列研究成果，使綜放開采技術(shù)得以完善和提高。1994年，為了規(guī)范綜放開采技術(shù)，原煤炭工業(yè)部專門組建綜放專家組制定了《綜放開采技術(shù)暫行規(guī)定》。至此，綜放開采技術(shù)20多年來經(jīng)過試驗(yàn)、推廣完善及提高幾個(gè)階段，已經(jīng)成為高產(chǎn)、高效、安全、經(jīng)濟(jì)效益好的采煤方法，并成為我國(guó)厚煤層礦區(qū)建設(shè)高產(chǎn)高效集約化礦井的有效技術(shù)途徑之一。
2 高瓦斯煤層放頂煤開采應(yīng)具備的條件
高瓦斯煤層的綜放開采安全問題最近幾年行受國(guó)內(nèi)采礦界關(guān)注。多數(shù)礦區(qū)的實(shí)踐證明，高瓦斯煤層不但可以進(jìn)行綜放開采，而且同樣可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，例如，靖遠(yuǎn)礦務(wù)局魏家地煤礦是一個(gè)高瓦斯、易自燃、有突出危險(xiǎn)的新建礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為150萬t／a，投產(chǎn)7年，采用分層綜采，全礦4個(gè)工作面年產(chǎn)量之和僅為20萬～30萬t，礦井在采取措施，降低突出危險(xiǎn)性后，采用綜放開采，在綜放工作面投產(chǎn)的第2年，產(chǎn)量就超過了80萬t／a，何沒有發(fā)生瓦斯突出事故；淮南謝橋礦為設(shè)計(jì)年產(chǎn)量400萬t的新建礦井，為高瓦斯礦井，礦井設(shè)計(jì)時(shí)被定為具有煤及瓦斯突出危險(xiǎn)，采取安全措施后，在厚度不超過5m的煤層中用綜放開采，未發(fā)生突出事故， 目前工作面生產(chǎn)能力已達(dá)到200萬t／a以上。我國(guó)還有不少礦區(qū)的較薄厚煤層均采用放頂煤采煤方法。如徐州、淮北、邯鄲、峰峰等煤礦，煤層厚度4．5～5 m，礦井的地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)條件又不允許采用大采高綜采，采用放頂煤采煤法開采是最好的選擇。
鑒于高瓦斯煤層進(jìn)行放頂煤開采在安全方面有其特殊性，主要表現(xiàn)在放頂煤工作上隅角發(fā)生瓦斯超限，采空區(qū)如有空洞易形成瓦斯庫(kù)，采空區(qū)遺煤自燃，易發(fā)生瓦斯爆炸事故等。因此，高瓦斯煤層進(jìn)行放頂煤開采時(shí)，對(duì)其地質(zhì)條件應(yīng)有特殊要求。
2．1 煤層直接頂板及底板巖性與厚度
從放頂煤開采提高采出率出發(fā)，不但要求頂煤能隨采隨冒，也要求煤層的直接頂能隨采隨冒，而且要求直接頂?shù)目迓涓叨?，至少等于煤層的厚度。高瓦斯煤層進(jìn)行放頂煤開采也必須滿足這一要求，主要是出于安全的考慮。如果直接頂不能隨采隨冒，或雖能隨采隨冒，但垮落厚度小，不足以充填采空區(qū)，則必然在采空區(qū)形成空洞，給瓦斯積聚提供了空間(圖1)。同時(shí)，直接頂垮落充填厚度不足以形成工作面和采空區(qū)空洞之間的安全隔離帶造成漏風(fēng)，給空洞提供供氧條件，則空洞里的瓦斯一旦達(dá)到爆炸或爆燃濃度遇石英法的基本頂垮落產(chǎn)生的火花或工作面巷道尾部中錨斷裂產(chǎn)生的火花，就會(huì)發(fā)生瓦斯爆燃事故，并波及工作面。特別是在工作面初采期間，直接頂不能充分垮落，極易形成這樣的條件(圖2)
在堅(jiān)硬頂煤條件下進(jìn)行放頂煤，國(guó)內(nèi)已有成熟的經(jīng)驗(yàn)。即通過頂煤的軟化處理，改善頂煤的冒放性，主要手段是注水軟化和預(yù)爆破處理。對(duì)于注水特性好的煤層以注水軟化為最佳選擇。因?yàn)檫@種方法除了軟化頂煤外，還可以起到防塵、降溫，只能預(yù)防自然發(fā)火，排放瓦斯的作用。對(duì)于注水特性不好的煤層，只能采用預(yù)爆破的方法進(jìn)行頂煤軟化處理。所謂預(yù)處理，就是在頂煤中的工藝巷里或工作面的兩個(gè)平巷里，超前工作面一定距離進(jìn)行深孔預(yù)爆破。在有些礦區(qū)，對(duì)工作面局部塊段或兩端頭處頂煤不易垮落的頂煤，也有實(shí)施架間爆破的。從安全角度考慮頂煤軟化對(duì)于高瓦斯煤層，更重要的是避免頂煤垮落不充分，在采空區(qū)形成空洞，積聚瓦斯，造成安全隱患。在工作面兩端或局部地段進(jìn)行頂煤松動(dòng)爆破處理時(shí)，應(yīng)控制鉆孔的位置和方向，保證松動(dòng)爆破不致和采空區(qū)連通。要求打眼工作應(yīng)在工作面煤壁附近進(jìn)行，鉆孔的位置距煤壁的距離不應(yīng)大于1 m，鉆孔向采空區(qū)方向的傾角不超過15。。在預(yù)采頂分層網(wǎng)下進(jìn)行放頂煤開采時(shí)，鉆孔的孔底距頂分層底板的距離不應(yīng)小于0．5 m。
當(dāng)煤層頂板堅(jiān)硬或直接頂很薄時(shí)，對(duì)放頂煤是不利的。一般情況下即使進(jìn)行頂煤軟化處理，效果也是不理想的。即使不考慮采出率，在高瓦斯情況下，采空區(qū)空洞積聚瓦斯是不可避免的。因而對(duì)于高瓦斯厚煤層，如果煤厚度在5～6 m以上，則建議采用預(yù)采頂分層放頂煤采煤法(圖3)。即先采一個(gè)頂分層(鋪網(wǎng)或不鋪網(wǎng)均 可)，將頂板放下來，然后再沿煤層底板進(jìn)行放頂煤開采。預(yù)采頂分層對(duì)于高瓦斯煤層還有一個(gè)好處，就是在采頂分層時(shí)，可以釋放煤層的瓦斯，起到開采解放層的作用。如果高瓦斯煤層的厚度在5 m以下，頂板又不易垮落，則最好選用其他采煤法。
2．2 堅(jiān)硬頂煤和堅(jiān)硬頂板放頂煤開采
在堅(jiān)硬頂煤條件下進(jìn)行放頂煤，國(guó)內(nèi)已有成熟的經(jīng)驗(yàn)。即通過頂煤的軟化處理，改善頂煤的冒放性，主要手段是注水軟化和預(yù)爆破處理。對(duì)于注水特性好的煤層以注水軟化為最佳選擇。因?yàn)檫@種方法除了軟化頂煤外，還可以起到防塵、降溫，只能預(yù)防自然發(fā)火，排放瓦斯的作用。對(duì)于注水特性不好的煤層，只能采用預(yù)爆破的方法進(jìn)行頂煤軟化處理。所謂預(yù)處理，就是在頂煤中的工藝巷里或工作面的兩個(gè)平巷里，超前工作面一定距離進(jìn)行深孔預(yù)爆破。在有些礦區(qū)，對(duì)工作面局部塊段或兩端頭處頂煤不易垮落的頂煤，也有實(shí)施架間爆破的。從安全角度考慮頂煤軟化對(duì)于高瓦斯煤層，更重要的是避免頂煤垮落不充分，在采空區(qū)形成空洞，積聚瓦斯，造成安全隱患。在工作面兩端或局部地段進(jìn)行頂煤松動(dòng)爆破處理時(shí)，應(yīng)控制鉆孔的位置和方向，保證松動(dòng)爆破不致和采空區(qū)連通。要求打眼工作應(yīng)在工作面煤壁附近進(jìn)行，鉆孔的位置距煤壁的距離不應(yīng)大于1 m，鉆孔向采空區(qū)方向的傾角不超過15。。在預(yù)采頂分層網(wǎng)下進(jìn)行放頂煤開采時(shí)，鉆孔的孔底距頂分層底板的距離不應(yīng)小于0．5 m。
當(dāng)煤層頂板堅(jiān)硬或直接頂很薄時(shí)，對(duì)放頂煤是不利的。一般情況下即使進(jìn)行頂煤軟化處理，效果也是不理想的。即使不考慮采出率，在高瓦斯情況下，采空區(qū)空洞積聚瓦斯是不可避免的。因而對(duì)于高瓦斯厚煤層，如果煤厚度在5～6 m以上，則建議采用預(yù)采頂分層放頂煤采煤法(圖3)。即先采一個(gè)頂分層(鋪網(wǎng)或不鋪網(wǎng)均 可)，將頂板放下來，然后再沿煤層底板進(jìn)行放頂煤開采。預(yù)采頂分層對(duì)于高瓦斯煤層還有一個(gè)好處，就是在采頂分層時(shí)，可以釋放煤層的瓦斯，起到開采解放層的作用。如果高瓦斯煤層的厚度在5 m以下，頂板又不易垮落，則最好選用其他采煤法。
(4)Y形通風(fēng)系統(tǒng)，在采用無煤柱巷旁充填護(hù)巷，進(jìn)行放頂煤開采時(shí)，在采空區(qū)保留一條巷道，作為回風(fēng)巷，而工作面的2個(gè)平巷做進(jìn)風(fēng)用,形成兩進(jìn)一回的通風(fēng)格局。如圖5所示。
4．1 采煤機(jī)割煤速度和放頂煤速度
回采工作面煤壁瓦斯涌出量的計(jì)算公式如下：
Qm=Vmh(1－exp) (1)
式中 Qm ── 煤壁瓦斯涌出量，m3 ／min；
Vm── 采煤機(jī)割煤速度，m／min；
h ── 截割高度，m；
── 回采工作面煤壁瓦斯的涌出強(qiáng)度，m3／(min·m2 )；
── 瓦斯涌出衰減系數(shù)，min-1；
── 工作面長(zhǎng)度，m。
回采工作面采(放)落煤塊瓦斯涌出量的計(jì)算公式如下：
Qk=Xcηm (2)
式中Xc為單位煤塊重量在回采工作面停留時(shí)間之內(nèi)涌出的瓦斯量,m3 ／t；ηm為采煤機(jī)落煤(放煤)效率，t／min，ηm = HBγ，其中H為截割高度或放煤高度，m；B為采煤機(jī)截深或放煤步距，m；γ為煤體容重，kN／m3 。
從式(1)、式(2)看出，煤壁和采落煤塊的瓦斯涌出量，都與采煤機(jī)的割煤速度或放煤速度成正比。因而在高瓦斯放頂煤工作面，應(yīng)控制割煤速度和放煤速度，否則會(huì)造成工作面局部瓦斯超限。割煤速度和放煤速度應(yīng)通過實(shí)測(cè)確定。即在采煤機(jī)割煤或放煤時(shí)，在采煤機(jī)和放煤口下風(fēng)口處檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，改變割煤速度和放煤速度，以瓦斯不超限時(shí)的速度為該工作面的合理割(放)煤速度。
4．2 頂煤的軟化處理工藝
如遇頂煤堅(jiān)硬不能隨采隨冒，如不進(jìn)行頂煤軟化處理，改善頂煤的冒放性，必然會(huì)丟失大量的頂煤。在高瓦斯堅(jiān)硬煤層進(jìn)行頂煤軟化處理時(shí)必須選擇合理的頂煤軟化方法。
4．3 高瓦斯放頂煤工作面的初次放頂
放頂煤工作面在頂煤和直接頂初次垮落之前采空區(qū)未能充填，此時(shí)最宜在采空區(qū)積聚大量瓦斯，而且在切眼里采用錨桿、錨索支護(hù)。一旦頂煤或頂板垮落時(shí)，錨桿(索)斷裂，摩擦極易產(chǎn)生火花。如不采取防范措施，就會(huì)發(fā)生瓦斯爆燃事故。在高瓦斯放頂煤工作面初次放頂時(shí)必須采取以下措施：
(1)在工作面離開切眼前對(duì)切眼上方的頂煤和后方煤柱實(shí)施爆破處理，使頂煤的初次垮落步距為零。
(2)在直接頂垮落之前不得進(jìn)行放頂煤。如果此時(shí)大量放頂煤將采空區(qū)放空，必然形成巨大的積聚瓦斯空間。
(3)應(yīng)采取縮小直接頂?shù)某醮慰迓洳骄?，有效的方法是在工作面切眼的上方頂煤中，沿頂板掘一輔助切眼，在輔助切眼里，對(duì)直接頂進(jìn)行拉槽預(yù)爆破處理，可使直接頂?shù)某醮慰迓洳骄嗫s減為零。
5 高瓦斯煤層放頂煤工作面的防火問題
高瓦斯煤層進(jìn)行放頂煤開采時(shí)，除采用常規(guī)的綜合防滅火措施外，必須考慮防治瓦斯和防火之間的關(guān)系。應(yīng)從以下幾方面著手解決這一問題。
(1)從某種意義上講，采空區(qū)積聚瓦斯，必然減少采空區(qū)的供氧量，因而對(duì)防火是有利的，但采空區(qū)瓦斯如果大量涌人工作面，則必對(duì)工作面安全帶來威脅。為避免采空區(qū)瓦斯涌人工作面，可以改變工作面的推進(jìn)方向，即使工作面沿煤層偽俯斜布置，使工作面的推進(jìn)方向變?yōu)閭胃┬毕蛳峦七M(jìn)，這樣采空區(qū)的瓦斯向上運(yùn)動(dòng)，不致涌人工作面內(nèi)。
(2)在采用u+L形通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量縮短回風(fēng)流經(jīng)過采空區(qū)的路線或避免回風(fēng)流經(jīng)過采空區(qū)，以防止采空區(qū)漏風(fēng)。
(3)在u形或E形通風(fēng)條件下，應(yīng)加強(qiáng)工作面兩端頭尾巷的密閉，防止采空區(qū)漏風(fēng)。在E形通風(fēng)條件下，應(yīng)盡可能通過高抽巷或排瓦斯巷排放采空區(qū)瓦斯，以減少采空區(qū)的瓦斯含量。
(4)在Y形通風(fēng)條件下，應(yīng)對(duì)巷旁充填帶進(jìn)行噴漿或泡沫塑料噴涂，防止充填帶漏風(fēng)。
(5)在任何通風(fēng)條件下，都應(yīng)加強(qiáng)工作面的推進(jìn)速度，以盡快使采空區(qū)厭氧帶的出現(xiàn)時(shí)間小于煤炭自然發(fā)火期。
參考文獻(xiàn)
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